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降压转换器在开关电源中的功率损耗
时间:2020-10-29 08:27:02 点击次数:1229

选用组件(导通状态下零压降和零开关电源损耗)时,降压转换器的功率为100%。而实际上,功耗一直与每个功率元件相关联。SMPS中有两种类型的损耗:直流传导损耗和沟通开关电源损耗。

降压转换器的传导损耗首要来自于晶体管Q1、二极管D1和电感L在传导电流时产生的压降。为了简化评论,传导损耗计算中忽略电感电流的沟通纹波。假设MOSFET用作功率晶体管,MOSFET的传导损耗等于IO2 • RDS(ON) • D,其间RDS(ON)是MOSFET Q1的导通电阻。二极管的传导功率损耗等于IO • VD • (1 – D),其间VD是二极管D1的正向压降。电感的传导损耗等于IO2 • R DCR,其间R DCR是电感绕组的铜电阻。因而,降压转换器的传导损耗约为:

例如,12V输入、3.3V/10AMAX输出降压电源可使用以下元件:MOSFET RDS(ON) = 10mΩ,电感RDCR = 2 mΩ,二极管正向电压VD = 0.5V。因而,满负载下的传导损耗为:

假设只考虑传导损耗,转换器功率为:

上述剖析显现,续流二极管的功率损耗为3.62W,远高于MOSFET Q1和电感L的传导损耗。为进一步进步功率,ADI公司建议可将二极管D1替换为MOSFET Q2,如图9所示。该转换器称为同步降压转换器。Q2的栅极需求对Q1栅极进行信号互补,即Q2仅在Q1关断时导通。同步降压转换器的传导损耗为:

9.同步降压转换器及其晶体管栅极信号

假设10mΩ RDS(ON) MOSFET也用于Q2,同步降压转换器的传导损耗和功率为:

上面的示例显示,同步降压转换器比传统降压转换器更高效,特别适用于占空比小、二极管D1的传导时刻长的低输出电压运用。

沟通开关电源损耗

除直流传导损耗外,还有因运用不抱负功率元件导致的其他沟通/开关电源相关功率损耗:

1. MOSFET开关电源损耗。实在的晶体管需求时刻来导通或关断。因此,在导通和关断瞬变过程中存在电压和电流堆叠,然后发生沟通开关电源损耗。图10闪现同步降压转换器中MOSFET Q1的典型开关电源波形。顶部FET Q1的寄生电容CGD的充电和放电及电荷QGD决议大部分Q1开关电源时刻和相关损耗。在同步降压转换器中,底部FET Q2开关电源损耗很小,由于Q2总是在体二极管传导后导通,在体二极管传导前关断,而体二极管上的压降很低。但是,Q2的体二极管反向恢复电荷也或许添加顶部FET Q1的开关电源损耗,并发生开关电源电压响铃和EMI噪声。公式(12)闪现,操控FET Q1开关电源损耗与转换器开关电源频率fS成正比。准确核算Q1的能量损耗EONEOFF并不简略

10.降压转换器中顶部FET Q1的典型开关电源波形和损耗

2. 电感铁损PSW_CORE。真实的电感也有与开关电源频率相关的交流损耗。电感交流损耗首要来自磁芯损耗。在高频SMPS中,磁芯材料可能是铁粉芯或铁氧体。一般来说,铁粉芯微丰满,但铁损高,而铁氧体材料剧烈丰满,但铁损低。铁氧体是一种相似陶瓷的铁磁材料,其晶体结构由氧化铁与锰或氧化锌的混合物组成。铁损的首要原因是磁滞损耗。磁芯或电感制造商一般为电源规划人员供给铁损数据,以估量交流电感损耗。

3. 其他交流相关损耗。其他交流相关损耗包含栅极驱动器损耗PSW_GATE(等于VDRV • QG • fS)和死区时刻(顶部FET Q1和底部FET Q2均关断时)体二极管传导损耗(等于(ΔTON + ΔTOFF) • VD(Q2) • fS)。

总而言之,开关电源相关损耗包含:

一般,结算开关电源相关损耗并不简略。开关电源相关损耗与开关电源频率fS成正比。在12VIN、3.3VO/10AMAX同步降压转换器中,200kHz – 500kHz开关电源频率下的交流损耗约导致2%至5%的功率丢失。因此,满负载下的总功率约为93%,比LR或LDO电源要好得多。能够削减将近10倍的热量或尺度。

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